CeO2修饰石墨烯增强润滑油摩擦学性能的协同机制研究

为解决传统润滑油添加剂环境污染及高负荷工况润滑不足问题，研究人员通过水热法制备CeO2@rGO纳米复合材料，显著提升PAO5w-40基础油的分散稳定性与摩擦性能。实验表明，3:1配比的CeO2@rGO使摩擦系数降低31.9%，磨损体积减少83.3%，其层状结构与纳米颗粒协同效应为高性能环保润滑剂开发提供新思路。

　　

研究背景
在现代工业中，机械部件的摩擦磨损是导致设备失效、能源浪费的核心问题。传统含硫磷润滑油添加剂虽能改善润滑性能，却面临环境污染与高负荷工况适应性差的双重困境。石墨烯(rGO)因其独特的二维结构和卓越力学性能被视为理想润滑材料，但纳米颗粒易团聚的特性严重制约其实际应用。与此同时，氧化铈(CeO₂)因其与碳氧元素的高亲和力在摩擦学领域展现出潜力，但单独使用时难以形成稳定润滑膜。如何通过材料复合策略协同提升润滑性能，成为突破当前技术瓶颈的关键。

陕西某研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表的研究中，创新性地将CeO₂纳米颗粒锚定在石墨烯表面，系统探究了该复合材料对高粘度PAO5w-40基础油摩擦学性能的增强机制。

关键技术方法
研究采用水热法一步合成CeO₂@rGO复合材料，通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征材料结构；采用Zeta电位仪评估润滑油分散稳定性；使用摩擦磨损试验机测试润滑性能，结合三维形貌仪量化磨损体积；通过分子动力学模拟阐释层间滑移机制。

研究结果

1. 材料制备与表征
   水热反应成功制备出具有层状结构的CeO₂@rGO，XRD显示CeO₂特征峰(28.5°对应(111)晶面)与rGO的(002)峰(23°)共存，SEM证实球形CeO₂纳米颗粒(粒径50-80nm)均匀分布在石墨烯片层上。

2. 分散稳定性优化
   3:1质量比的CeO₂@rGO使润滑油Zeta电位达-33.805mV(绝对值>30mV表明优异稳定性)，其静电排斥作用有效阻止纳米颗粒沉降，且CeO₂比例升高可增强空间位阻效应。

3. 摩擦学性能突破
   在最优添加量(3wt.%)下，复合润滑油的摩擦系数降至0.08(降低31.9%)，磨损深度(58.3%)和体积(83.3%)显著下降。摩擦副表面形成的纳米复合膜兼具物理屏障与滚动轴承效应，CeO₂填补石墨烯层间缺陷，而rGO片层在剪切力作用下产生定向滑移。

研究意义
该研究首次揭示了CeO₂与rGO在高粘度润滑油中的协同润滑机制：①CeO₂修饰有效抑制石墨烯堆叠，提升分散稳定性；②纳米复合膜通过"物理-化学"双重作用降低摩擦磨损；③为开发不含硫磷的环保型高性能润滑剂提供理论依据。团队提出的"纳米颗粒-二维材料"复合策略可拓展至其他润滑体系，对航空航天、重载机械等极端工况下的润滑技术发展具有重要指导价值。